樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶的磨削力研究

張繼東 ， 黃俊玲 ， 詹友基

(1.安徽信息工程學(xué)院 機(jī)械工程系， 安徽 蕪湖 241100； 2.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 福州350118)

樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶的磨削力研究

張繼東1， 黃俊玲1， 詹友基2

(1.安徽信息工程學(xué)院 機(jī)械工程系， 安徽 蕪湖 241100； 2.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 福州350118)

采用270目樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪以順磨磨削方式對(duì)火成巖質(zhì)水晶進(jìn)行平面磨削實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量磨削過(guò)程中的磨削垂直力和水平力，得出砂輪線速度、進(jìn)給速度、磨削深度對(duì)磨削力的影響特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)提高砂輪線速度時(shí)磨削力減小，增大進(jìn)給速度時(shí)磨削力增大，增大磨削深度時(shí)磨削力增大。最后對(duì)火成巖質(zhì)水晶磨削力比進(jìn)行討論和分析，擬合出磨削力比Ft/Fn為0.085。

火成巖質(zhì)水晶； 樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪； 磨削力； 磨削力比

火成巖由地球巖漿冷凝而成，約占地球巖石圈的95%，共有酸性、中性、堿性、超堿性4大類，700多種，主要組分為硅、鎂、鋁、鐵等金屬的氧化物。傳統(tǒng)上SiO2為主要成分的玻璃態(tài)、結(jié)晶態(tài)礦石稱為水晶，因此火成巖制備的玻璃也命名為水晶，以區(qū)別于非礦物玻璃?；鸪蓭r質(zhì)水晶按形態(tài)可分為鑄件、粉末、鱗片、短纖、長(zhǎng)絲5類材料。

火成巖質(zhì)水晶屬于硬脆性材料，主要采用抗析晶工藝，在模具中澆鑄緩慢成型[1]。它完全不反射雷達(dá)波，是一種透波隱形材料，有介電損耗和磁損耗，是弱吸波材料。它高效保溫，熱穩(wěn)定性和熱應(yīng)力比傳統(tǒng)鑄石好。同時(shí)是絕熱材料，具有隔斷紅外線的功能，即紅外隱形優(yōu)越等性能。其應(yīng)用方面，可用于藝術(shù)水晶、墻磚、家具臺(tái)面、墓碑、衛(wèi)浴用品、骨灰盒、替代球磨機(jī)天然瑪瑙研磨球或鋼球等，由于具有透波隱形性能在雷達(dá)方面也可加以應(yīng)用。因此研究火成巖水晶的磨削機(jī)理對(duì)發(fā)掘其潛在的軍事價(jià)值和民用價(jià)值具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此種新材料的加工研究仍處于空白狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

磨削實(shí)驗(yàn)是在MITSUI磨床上進(jìn)行，采用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，技術(shù)指標(biāo)如表1。工件為火成巖質(zhì)水晶，呈黑色，尺寸長(zhǎng)寬高：33 mm×15 mm×20 mm，基本力學(xué)性能如表2。改變砂輪速度Vs(9.4～17.0 m/s)、磨削深度ap(2～8 μm)和進(jìn)給速度Vw(7.38～14.5 m/min)進(jìn)行順磨加工。加工中加冷卻液。

表1 270目樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 The technical index of 270-mesh resin bonded diamond wheel

砂輪指標(biāo)數(shù)值砂輪型號(hào)1A1型砂輪直徑DS/mm180砂輪寬度/mm15金剛石磨粒粒度/目270磨料層厚度/mm5基體材料鋁合金金剛石濃度/%100金剛石品級(jí)MBD8(JR4)

表2 火成巖水晶的基本力學(xué)性能

采用DEWE2010型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和Kister-9257BA型測(cè)力儀檢測(cè)工件上所受的垂直方向的磨削力Fv和水平方向的磨削力Fh。數(shù)據(jù)采集后傳輸并存儲(chǔ)到DEWE系統(tǒng)里，經(jīng)過(guò)虛擬數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波處理。圖1是磨削測(cè)力系統(tǒng)示意圖。

圖1 磨削測(cè)力系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of grinding force measuring system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 磨削力隨磨削深度變化特征

在切深較小的平面磨削條件下，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，F(xiàn)t與Fn以及Fh與Fv在數(shù)值上基本相等。因此切向力Ft和法向力Fn分別用實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的垂直力Fv和水平力Fh替代。

為了研究磨削深度對(duì)磨削力的影響，在沒(méi)有磨削燒傷的情況下，選定幾組進(jìn)給速度Vw，然后分別變化磨削深度ap進(jìn)行單因素影響磨削實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可看出，在固定砂輪線速度和工件進(jìn)給速度的前提下，當(dāng)磨削深度ap增大時(shí)，切向磨削力和法向磨削力也增大。270目金剛石砂輪由于選擇的磨削深度較小并且變化范圍較小導(dǎo)致磨削力變化范圍較小，從法向磨削力也可以發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)：在Vs=17 m/s、Vw=14.5 m/min、ap=2～8 μm時(shí)，法向磨削力為60～63 N，變化范圍在3 N左右。

2.2 磨削力隨進(jìn)給速度變化特征

由圖3可見，在固定砂輪線速度和磨削深度ap情況下，270目樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶時(shí)磨削切向力Ft和法向力Fn都隨著進(jìn)給速度Vw增大而增大，并且呈線性趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著工件進(jìn)給速度增加，單顆金剛石磨粒最大切削厚度增加，法向接觸應(yīng)力增加[3]，同時(shí)單顆磨粒的切削材料厚度增加，單位時(shí)間內(nèi)去除的材料體積相應(yīng)變大，因此總磨削力也相應(yīng)增大。

(a)切向磨削力Ft與ap的關(guān)系

(b) 法向磨削力Fn與ap的關(guān)系

(c)切向磨削力Ft與ap的關(guān)系

(d)法向磨削力Fn與ap的關(guān)系

(e)切向磨削力Ft與ap的關(guān)系

(f) 法向磨削力Fn與ap的關(guān)系

(a)切向磨削力Ft與Vw的關(guān)系

(b)法向磨削力Fn與Vw的關(guān)系

(c)切向磨削力Ft與Vw的關(guān)系

(c)法向磨削力Ft與Vw的關(guān)系

(d)切向磨削力Ft與Vw的關(guān)系

(h)法向磨削力Fn與Vw的關(guān)系

2.3 磨削力隨砂輪線速度變化特征

圖4顯示在不同進(jìn)給速度下,270目金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶時(shí)切向力Ft和法向力Fn隨砂輪線速度Vs的變化特征。在固定磨削深度和工件進(jìn)給速度的前提下，砂輪線速度增大時(shí)，法向磨削力和切向磨削力都表現(xiàn)減小趨勢(shì)。主要是因?yàn)楫?dāng)工作臺(tái)速度Vw和磨削深度ap固定，單方面增大砂輪線速度Vs時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)磨削弧區(qū)內(nèi)的磨粒數(shù)增多，使得單顆磨粒最大未變形切削厚度hmax變小，導(dǎo)致單顆磨粒磨削深度變小，切屑截面積變小，切屑變薄，因此當(dāng)砂輪線速度增大時(shí),法向磨削力和切向磨削力呈遞減趨勢(shì)。但也有個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)異常，還無(wú)法找到解釋的原因。總體趨勢(shì)是隨著砂輪線速度的增大磨削力減小。

(a)切向磨削力Ft與Vs的關(guān)系

(b)法向磨削力Fn與Vs的關(guān)系

(c)切向磨削力Ft與Vs的關(guān)系

(d)法向磨削力Fn與Vs的關(guān)系

(e)切向磨削力Ft與Vs的關(guān)系

(f)法向磨削力Fn與Vs的關(guān)系

2.4 磨削力比的分析

磨削力比Ft/Fn是切向磨削力與法向磨削力的比值，可表征磨削過(guò)程中金剛石磨粒壓入火成巖質(zhì)水晶的難易程度。磨削力比的大小與金剛石砂輪表面磨粒的鋒利度和火成巖質(zhì)水晶的物理和機(jī)械性能有關(guān)，并且與被加工材料表面質(zhì)量也有一定的關(guān)系。

對(duì)加工條件范圍內(nèi)(Vs為9.4～20.7 m/s，Vw為7.38～14.5 m/min,ap為2～8 μm)的48個(gè)法向力和48個(gè)切向力數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果如圖5。

圖5 270目樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶力比回歸圖Fig.5 The regression analysis of the grinding force ratio of grinding igneous crystal with 270 mesh resin bonded diamond wheel

圖5所示為270目樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶力比回歸圖。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在所有加工條件下，磨削力比Ft/Fn為0.085，比粗磨時(shí)用120目電鍍金剛石砂輪磨削的力比0.26要小[5]。力比小于1是因?yàn)榍邢蛄^小(3.25～5.49 N)，而法向力較大(45～68.9 N)。切向力僅僅起到掃除碎屑的作用，而法向力使工件表面層以下產(chǎn)生橫向裂紋，材料破碎。法向力越大則破碎越容易形成。用270目樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪和文獻(xiàn)[4]用120目電鍍金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶時(shí)，切向力差別不大，而法向力差別較大。270目樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶時(shí),法向磨削力為45～68.9 N；120目電鍍金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶時(shí)，法向磨削力為2～13.8 N。顯然270目樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪在磨削火成巖質(zhì)水晶時(shí)法向力較大，更容易使材料破碎，并且消耗的能量較少，因此磨削力比比用120目電鍍金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶時(shí)的力比小。圖6為270目金剛石砂輪磨削后的表面形貌掃描電鏡圖，可看出大部分材料是以擠壓、破碎方式去除。從材料去除機(jī)理來(lái)說(shuō)，火成巖質(zhì)水晶屬于脆性材料，大部分的去除方式屬于脆性去除。

圖6 Vs=13.2 m/s、Vw=14.5 m/min、ap=6 μm時(shí)的磨削形貌(7 500 X.SEM)Fig.6 The grinding morphology of igneous crystal at Vs=13.2 m/s, Vw=14.5 m/min and ap=6 μm(with a magnification of 7500 X.SEM)

從摩擦角度來(lái)說(shuō)：圖6為Ft與Fn的關(guān)系曲線，圖中直線為最小二乘法擬合曲線。文獻(xiàn)[5]指出Ft與Fn的關(guān)系為一條直線，斜率為μ，所以擬合曲線斜率實(shí)際上反映了摩擦因素的大小。力比小說(shuō)明砂輪與工件的摩擦較小，在270目樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶的過(guò)程中,砂輪與工件間的摩擦比120目電鍍金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶時(shí)小[4]。根據(jù)摩擦系數(shù)基本為常數(shù),說(shuō)明金剛石與火成巖質(zhì)水晶之間的運(yùn)動(dòng)符合Coulomb定律描述的滑動(dòng)摩擦方式[6]。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)增大磨削深度時(shí)，磨削力增大，磨削力受到磨削深度的影響較顯著。當(dāng)增大進(jìn)給速度時(shí)，磨削力增大，磨削力受進(jìn)給速度的影響較明顯。當(dāng)砂輪線速度提高時(shí)，磨削力減小，磨削力受砂輪線速度的影響不顯著。

2) 樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶的磨削力比為0.085。通過(guò)磨削火成巖質(zhì)水晶過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，火成巖水晶與樹脂結(jié)合劑金剛石磨粒之間的運(yùn)動(dòng)符合Coulomb定律描述的滑動(dòng)摩擦方式。

[1] 戴洪明,楊宗彬,劉華武.一種火成巖水晶玻璃材料的制造方法：200910228295.7[P].2010-06-09.

[2] Xu X P, Li Y, Malkin S. Forces and engergy in circular sawing and grinding of granite[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering,2001,123(1):13-22.

[3] Malkin S. Grinding Technology-Theory and Application of Machining with Abrasives[M].New York: John Wiley & Sons,1989：27-33.

[4] 張繼東,劉海峰,郭樺，等.電鍍金剛石砂輪磨削火成巖質(zhì)水晶的磨削力研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2012,32(2):29-33.

[5] Hwang T W, Evans C J, Whitenton E P, et al. High speed grinding of silicon nitride with electroplated diamond wheels[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering,2000,122:42-50.

[6] Persson B N J. Sliding Friction-physical Principles and Applications[M]. Berlin:Springer-Verlag,1998：68-76.

(責(zé)任編輯： 陳雯)

Research of grinding force in the grinding of igneous crystal with resin bonded diamond wheel

Zhang Jidong1， Huang Junling1， Zhan Youji2

(1. Mechanical Engineering Department， Anhui Institute of Information Technology, Wuhu 241100, China； 2. College of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

Plane grinding experiments of igneous crystal were conducted with 270-mesh resin bonded diamond wheel via clockwise(circular)grinding method. By measuring the vertical and horizontal grinding forces in the grinding process, the influences of linear (peripheral) speed, feeding speed and grinding depth on the grinding forces were obtained. The experimental results show that the grinding force decreases when the linear (peripheral)speed increases, but increases with the increase of the feed speed and the increase of the grinding depth. The grinding force ratio of the igneous crystal was analysed. The fitted grinding force ratio ofFt/Fnwas 0.085.

igneous crystal; resin bonded diamond wheel; grinding force; grinding force ratio

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.03.008

2017-03-23

福建省自然科學(xué)基金(2016501723)；福建工程學(xué)院科研發(fā)展基金預(yù)研項(xiàng)目(GY-Z13015)

張繼東(1984- )，男，安徽合肥人，助教，碩士，研究方向：機(jī)械裝備制造及自動(dòng)化，液壓與氣壓設(shè)備的研發(fā)。

TG58

A

1672-4348(2017)03-0238-05